《地下水动力学》教学大纲

Groundwater Dynamics

课程编码：21A43043 学分：2.0 课程类别：专业任选课

计划学时：32 其中讲课：32 实验或实践：0 上机：0

适用专业：水文与水资源工程、地下水科学与工程

推荐教材：薛禹群，《地下水动力学》，地质出版社，2010年。

参考书目：陈崇希，《地下水动力学》，中国地质大学出版社，2005年。

课程的教学目的与任务

本课程的教学目的是使学生在已学习过的水文地质学基础课程基础上，通过对地下水渗流理论体系的把握，进一步提高学生对地下水科学的认识，进一步加深对地下水运动规律的理解，并进而为学生从事专业技术、教学、研究和进入研究生学习打下基础。通过本课程的学习，掌握地下水运动的基本理论，熟悉建立地下水运动的数学模型，并提出相应的计算或模拟方法，以便对地下水运动进行定量分析，授课重在培养学生运用渗流基本理论分析地下水运动的基本问题的能力。

课程的基本要求

1、通过对地下水运动稳定流、非稳定流理论的讲解分析，使学生掌握地下水动力学的主要知识体系、基本方法及其在生产、实践中的地位与贡献。

2、通过课堂讲解、讨论和学生课下阅读、思考，使学生在掌握地下水运动理论体系的基础上，逐步提升学生的科学思维及独立思考能力。

3、要求学生在学完本课程后，能运用地下水动力学的方法和基本理论，独立地分析、解决社会生产实践、科学研究中遇到的水文地质问题。

各章节授课内容、教学方法及学时分配建议

绪论 建议学时：2

[教学目的与要求] 了解地下水动力学的发展历史及其学科发展趋势，熟悉地下水动力学研究的目的、任

务，掌握地下水动力学的研究思路。

[教学重点与难点] 地下水动力学的研究思路及方法。

[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授 课 内 容]

一、地下水动力学研究的目的、任务

二、地下水动力学的发展历史及其学科发展趋势

三、地下水动力学的研究方法

四、地下水动力学应用方向简介

第一章 地下水运动的基本概念与基本定律 建议学时：4

[教学目的与要求] 掌握典型体元、渗流、渗流的运动要素、渗透系数等基本概念，深入理解地下水实际

流速与渗透流速区别，学会用达西定律分析水文地质问题。

[教学重点与难点] 达西定律和流网分析实际问题。

[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授 课 内 容]

第一节 地下水运动的基本概念

一、典型体元

二、渗流的运动要素

三、水力梯度

第二节 渗流基本定律

一、达西定律

二、不稳定条件下渗流实验

三、渗透系数

四、线性定律的适用条件

五、非线性定律

六、各向异性地层中地下水的运动规律

第三节 地下水通过非均质岩层突变界面的折射现象

一、折射定律的推导

二、折射定律的内涵

第四节 流网

一、各项同性岩层地下水的流网特征

二、各项异性岩层地下水的流网特征

三、流网的绘制与应用

第二章 地下水运动的基本微分方程及定解条件 建议学时：4

[教学目的与要求] 了解水和多孔介质的压缩性，掌握渗流连续性方程和布西涅斯克微分方程的推导，熟

悉裘布依假定，学会建立不同水文地质条件下的地下水数学模型。

[教学重点与难点] 地下水运动微分方程的建立。

[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授 课 内 容]

第一节 渗流连续性方程

一、达西公式与水均衡原理

二、地下水运动连续性方程的推导

第二节 水和多孔介质的压缩性

一、弹性储存

二、水的压缩方程

三、土的压缩方程

第三节 渗流基本微分方程

一、地下水三维流微分方程的推导

二、储水系数

三、导水系数

四、不同水文地质条件下微分方程的表达式

第四节 潜水流动的布西涅斯克微分方程

一、裘布依假定

二、裘布依微分方程

三、布西涅斯克微分方程的推导

四、布西涅斯克微分方程的线性化

第五节 定解条件及数学模型

一、一类边界

二、二类边界

三、初始条件

四、数学模型

五、解析解与数值解的差异

第三章 地下水向河渠的运动 建议学时：2

[教学目的与要求] 通过讲授一维渗流问题，逐步引入边界条件的具体应用，训练学生对典型一维问题提

出完整的数学模型。重点介绍一维问题的常用计算公式，结合讲授地下水断面的流量计算。

[教学重点与难点] 地下水向河渠二维稳定运动及非均质含水层中地下水的运动。

[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授 课 内 容]

第一节 均质含水层中地下水向河渠的运动

一、承压含水层中地下水向河渠一维稳定运动

二、无入渗潜水含水层中地下水向河渠二维稳定运动

三、无入渗潜水含水层中地下水向河渠三维稳定运动

四、均匀稳定入渗的潜水向河渠二维稳定运动

五、承压含水层地下水向河渠一维不稳定运动(定流量沟流、定降深沟流)

第二节 非均质含水层中地下水向河渠的运动

一、分段法

二、等效厚度法

三、吉林斯墓势函数法

四、直接积分法

第四章 裘布依稳定井流 建议学时：4

[教学目的与要求] 通过本章学习使学生掌握潜水或承压水渗流基本微分方程简化为一维径向流方程；掌

握潜水或承压水Dupuit公式的简单推导及对公式的讨论；掌握井流计算方法；熟悉多落程抽水试验的经

验公式。

[教学重点与难点] 稳定流适用条件的判别。

[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授 课 内 容]

第一节 裘布依靠定井流的基本方程

一、承压含水层中的完整井流

二、潜水含水层中的完整井流

三、承压-无压井流

第二节 齐姆模型与裘布依模型的区别

一、齐姆模型

二、齐姆模型与裘布依模型的使用条件

三、形成稳定流的条件分析

第三节 稳定流抽水试验及其技术要求

一、多落程稳定流抽水技术要求

二、求参实例

第四节 稳定的干扰井流

一、叠加原理

二、地下水向干扰井的运动计算原理及应用

第五章 无越流含水层中的完整井流 建议学时：4

[教学目的与要求] 通过本章学习使学生掌握Thiem公式的简单推导及对公式的讨论；通过对公式的讨

论，加深对公式的理解，强调公式的使用条件。

[教学重点与难点] 地下水非稳定流公式的应用及使用条件。

[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授 课 内 容]

第一节 无限含水层中单个定流量井流

一、泰斯公式假定

二、完整井流的基本方程及其解法

三、泰斯公式讨论

第二节 井群干扰

一、点井渗流叠加法原理

二、面井法 (矩形、圆形开采地段)原理

三、开采区内抽水井中水位降深的计算实例

第三节 直线边界附近的井流——反映法

一、半无限含水层直线隔水边界的井流

二、半无限含水层直线透水边界的井流

三、扇形含水层井流计算方法

四、带状含水层井流计算方法

五、矩形含水层井流计算方法

第四节 变流量井流

一、变流量井流计算原理

二、阶梯流量计算公式的推导

第五节 无限含水层中单个定降深井流

一、无限含水层中单个定降深井流原理

二、公式应用

第六节 无限含水层中地下水承压－无压井流

一、基本微分方程的推导

二、计算方法

第六章 无越流含水层中完整井的井流试验 建议学时：4

[教学目的与要求] 了解不同条件抽水试验的基本要求，掌握配线法、直线图解法等利用野外抽水试验数

据求取水文地质参数的基本方法，培养学生动手能力。

[教学重点与难点] 利用抽水试验数据求水文地质参数。

[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授 课 内 容]

第一节 定流量抽（注）水试验

一、标准曲线对比法原理

二、直线图解法原理

三、计算实例

第二节 水位恢复试验

一、水位恢复试验的基本原理与应用

二、水位回升值的近似式

三、最高水位回升法

第三节 边界附近定流量井流试验

一、特定条件直线图解法

二、特定条件下配线法

三、利用抽水试验确定边界位置

第四节 多主井和阶梯流量井流试验

一、同时开泵的多主井井流试验

二、不同时开泵的多主井井流试验

三、阶梯流量井流试验

第五节 定降深井流试验

一、试算法

二、直线图解法

三、标准曲线对比法

第六节 瞬时抽（注）水法

一、基本原理

二、求参步骤

第七节 确定井损系数和井孔有效半径的井流试验

一、阶梯流量井流试验

二、多落程井流试验

三、水位恢复试验法

第七章 无越流潜水含水层中的完整井流 建议学时：4

[教学目的与要求] 通过本章学习使学生掌握潜水含水层中的完整井流公式的导出条件，理解潜水重力滞

后给水的概念，掌握博尔顿模型、缪曼模型的基本原理，掌握利用抽水试验数据求水文地质参数的方法。

[教学重点与难点] 潜水井流试验求参方法。

[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授 课 内 容]

第一节 考虑滞后给水的分析方法——博尔顿法

一、潜水博尔顿公式的导出

二、标准曲线的使用方法

三、直线图解法原理及应用

四、实例介绍

第二节 二元结构的含水系统

一、二元结构含水系统的概念模型

二、二元结构含水系统的数学模型及求解

第三节 考虑流速垂直分量和弹性储量的分析方法——纽曼法

一、缪曼模型的假定条件及定解问题的建立

二、缪曼解的特点

三、标准曲线对比法

四、直线图解法

五、恢复试验法

六、实例介绍

第八章 越流系统中的承压完整井流 建议学时：4

[教学目的与要求] 通过本章学习使学生第一、第二类越流系统数学模型的使用条件，强化应用公式计算

地下水问题、求解含水层参数的能力，掌握利用抽水试验数据求水文地质参数的方法。

[教学重点与难点] 越流系统抽水试验求水文地质参数的方法。

[授 课 方 法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授 课 内 容]

第一节 第一类越流系统中的定流量井流

一、第一类越流系统定流量井流基本方程

二、第一类越流系统定解条件

三、第一类越流系统井流试验确定越流系统的参数

第二节 第二类越流系统中的定流量井流

一、第二类越流系统定解问题的建立

二、第二类越流系统井流试验确定越流系统的参数

第三节 第一类越流系统中的定降深井流

一、第一类越流系统中的定降深井流基本方程

二、不稳定抽（放）水井流试验确定越流系统的参数

三、稳定抽（放）水试验确定越流系统的参数的配线法和直线图解法

撰稿人：吴恩江 审核人：桑国庆